运行中的地铁隧道变形动态监测
摘 要 文章结合广州市“仓边复建综合楼项目”工程施工监测方案，对受紧邻基坑施工扰动影响的运行中地铁隧道变形的动态监测方法进行了分析，采用TCA2003全站仪的全自动动态监测系统，可以24 h无人值守、连续监测运行中的地铁隧道变形，且每次监测可在地铁运行间隔内迅速完成。监测到的数据可以实时提供给施工方，以指导当前及下一步的施工，在工程应用中取得了良好的效果。
关键词 地铁隧道 连续运行 基坑开挖 变形动态监测
1 概述
在我国已有地铁的城市中，地铁沿线（非常靠近地铁隧道）的深基坑越来越多，如何在基坑开挖中保护正在运行中的地铁隧道，是一个十分现实的问题。采用信息化施工及监测方法，可以有效地指导基坑施工过程，施工中采用的时空效应法、逆作法、注浆法和基坑加固方法等均可达到保护邻近隧道、控制变形的目的。而常规的地铁变形监测如连通管法、巴塞特法等，在运行的地铁隧道中进行监测相当困难，主要是因为地铁运行间隔很短，运行期间绝对不允许测量人员进入，为此，须有一种简便的、无人值守、自动的动态监测方法，可在很短的时间间隔内，迅速完成隧道的变形监测，并为邻近基坑的施工提交监测数据。
广州市 “仓边复建综合楼项目”与广州地铁1号线平行，西侧基坑距区间隧道（公园前站～农讲所站）北线最近处约4 m，东侧基坑距北线隧道最近处约8 m，基坑开挖深度约为10.5 m，采用地下连续墙围护，兼做承重结构。基坑开挖将对地铁1号线构成威胁，为保证地铁的安全运行，必须在基坑开挖过程中对运行中的隧道变形进行不间断监测。
2 自动化动态监测系统
2.1 监测要求
由于地铁隧道在一天中的三分之二以上的时间是处于全封闭的运营状态，绝对不允许监测人员进入隧道内工作，所以要求必须在隧道内设置自动化监测系统代替人工操作，实现对隧道水平、垂直位移的连续、精确监测。考虑到地铁运行的间隔很短，所采用的监测系统应能在3～5 min内完成隧道（受影响的区间段）的变形监测，以掌握基坑开挖施工引起地铁1号线隧道变形规律及特性。
2.2 监测范围
地铁1号线下行线“农讲所站～公园前站”区间隧道沿基坑的60 m及两端各向外延伸45 m（约150 m）的范围。监测内容为隧道的水平和垂直位移。
2.3 自动化动态监测系统的构成
一个完整的自动化动态监测系统是指在无需操作人员干预的条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能，它由一系列的软件和硬件构成，整个系统配置包括：TCA自动化全站仪、棱镜、通讯电缆及供电电缆、计算机与专用软件。
2.3.1 TCA自动化全站仪
TCA自动化全站仪能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据，其独有的ATR（Automatic Target Recognition，自动目标识别）模式，使全站仪能进行自动目标识别，操作人员一旦粗略瞄准棱镜后，全站仪就可搜寻到目标，并自动瞄准，不再需要精确瞄准和调焦，大大提高工作效率。
TCA2003是Leica TCA自动化全站仪中的一种（见图1），该仪器测角精度为0.5〞，测距精度为1 mm±1 ppm。可通过专用的控制软件来控制观测目标、设定观测周期。
2.3.2 Leica标准精密测距棱镜
棱镜作为观测标志，利用膨胀螺丝固定在隧道内侧（见图2），其数目可按实际需要设定，该标志能被TCA2003全站仪自动跟踪锁定，以实施精密测角和测距。
2.3.3 计算机
计算机利用电缆和全站仪连接，并装有专用软件以实现整个监测过程的全自动化，既能控制全站仪按特定测量程序采集监测点数据，并将测量成果实时进行处理，以便及时发现错误，杜绝返工，也可以对各个观测周期的监测数据进行存储并生成监测报告。
2.3.4 其它设备
其它设备包括温度计﹑气压计﹑湿度计、连接电缆、外接电源等；温度计﹑气压计﹑湿度计用于测定空气的温度、压力和湿度，将测定结果输入到计算机中，对观测结果进行修正，以提高观测精度。
2.3.5 实时控制软件
GeoMos Monitor是专门用于监测的、与TCA2003全站仪配套的变形测量软件，其在Windows环境下运行，并将数据存储在SQL Server数据库中，它既可按操作者设定的测量过程和选定的基准点、观测点进行相应的测量处理，也可快速建立三维坐标、位移量以及其它相关数据库，实现数据的快速存储、检索、编辑，可实时显示量测数据，并进行实时处理或后处理，能实时显示图形或事后显示。
2.3.6 后处理软件
采用自己编制的软件，利用和GeoMos的软件接口，对测量数据进行后处理，按施工方要求的格式将监测点的位移变化转化为标准图表的形式直观地表达出来，绘制出监测报表和位移曲线，自动实现数据分析、报警以及报表生成的功能，可以根据用户的要求提供报表的形式。
3 施工监测
3.1 测点布设
测点分为测站点、基准点以及观测点3类，测点布设在区间隧道K9+920~K10+070约150 m的范围之内。基准点用来检验测站是否产生位移，位于基坑影响区域外的东、西2点；观测点沿隧道每隔约10 m布设1个，如图3所示。
观测点和基准点都采用棱镜作为观测标志（可实现在水平方向上和垂直方向上的旋转），固定在支座上，支座采用膨胀螺丝固定在隧道管片上，安装高度低于2 m（以确保安装时不需要停电作业，并不对行车造成影响）。仪器设置在施工影响区域的中央（隧道的南侧），固定在观测台上（避免对中误差），并在旁边放置稳压电源。
为了更好地掌握地铁运行状况和控制隧道受基坑施工的影响，在不同位置设置典型观测断面（断面具体数目结合基坑开挖深度及影响范围设定）。坐标系设置为自定义坐标系。
3.2 观测方法
通过控制软件，在每个观测周期开始前，利用东、西2个基准点，4测回推算出测站点的坐标，然后，四测回对所有的点进行自动观测，得到观测点的坐标。基坑开挖深度较浅时，可以减少观测频率。随着基坑开挖深度的不断增加，24 h实时观测，并加大重点部位的观测频率。
3.3 测量数据
表1为不同测点的监测报表，图4是D12点的累计位移—时间的曲线图。
3.4 测量误差分析
3.4.1 误差来源
测量的误差来源于仪器的系统误差、测站和目标的对中误差、外界环境的影响、测量仪器的影响。
⑴ 仪器的系统误差主要是由仪器本身构造引起的，为保证精度，需在测量前对仪器进行检校，仪器即使在检校后还有残余的系统误差。但由于监测需要得到的是2次测量之间的位移值，因此系统误差可以基本消除。
⑵ 由于测站点、观测点均采用强制对中措施，而且标志埋设后在整个观测过程中不再重新安置，因此，测站、目标的对中误差可忽略不计。
⑶ 由于本次监测需要实时监测，而地铁隧道的湿度较大，对测距的精度会有影响，但地铁隧道内的温度﹑气压﹑湿度均比较稳定，因此，可不考虑这些外界环境因素对观测结果的影响，可在观测过程中利用数学模型进行修正。而列车运行带来的震动却对观测结果的影响较大，故应尽量避免在这一时段进行观测。
⑷ 本次测量采用TCA2003全站仪观测，其测角精度0.5″，测距精度1 mm±1 ppm，因此，其是影响测量的主要误差源。
3.4.2 误差分析
此次监测主要的误差来源是仪器的测角误差和测距误差，仪器的测角精度为0.5″，100 m的监测范围内由测角所引起的最大误差为±0.12 mm；仪器的测距精度为1 mm±1 ppm，其中1 mm为固定误差，±1 ppm为比例误差(1 mm/km)，即100 m的距离由测距所引起的误差为±0.1 mm，距离测量采用四测回观测仪器引起的误差为±0.5 mm；根据各点给定的初始坐标估算，点位的平面精度约±0.5 mm，Z方向的精度与竖直角的大小有关，精度略低，但仍可以保证±1 mm的精度，能够满足施工及甲方对地铁保护的要求。
4 结论
广州市“仓边复建综合楼项目”基坑开挖对地铁1号线构成威胁，施工中采用的监测系统对运行中的隧道变形进行不间断监测，监测结果为基坑开挖施工提供了准确、及时的指导数据，保证地铁的安全运行。这是一种简便、灵活、无人值守、实时、动态的监测系统。工程应用表明，该监测系统能满足工程的要求，且监测速度快、精度高、受人为影响少、自动化程度高，可在地铁运行间隔内迅速完成隧道的变形监测。
* 周拥军的工作单位为上海交通大学
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文章来源：隧道网
